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高压变频器驱动系统的组成
xiao_xiao1 发表于 2009/4/13 12:49:41 778 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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本讲介绍高压变频驱动系统的组成，包括标准高压大功率变频系统、带输出变压器(间接型)的高压变频系统、多重式的变频系统和带旁路的高压变系统。在这之前，我们先简单介绍一下常用高压变频器的分类。
3.1 常用高压变频器分类
高压变频器通常按其主回路分类。随着新型大功率电力电子器件的性能不断改进，大容量高压变频器仍处于不断发展之中。因此，它不象小功率变频器那样具有基本相同的结构,而是随着使用场合和功率的大小可以有不同方案的选择。目前常用的高压变频器有以下一些类型:
按照变频过程中有无中间直流环节，高压变频器分为交交变频和交直交变频。
交交变频器是把固定频率的电网交流输入直接变换为频率可调的输出交流功率。通常由三组反并联晶闸管及可逆桥式变流器组成。具有过载能力强、效率高、输出波形较好等优点，但存在输出频率低(最高频率小于电网频率的1/3-1/2)、使用功率器件多、输入无功功率大、高次谐波对电网影响大等缺点。交交变频器可用于驱动同步电动机或异步电动机，在大型轧机的主传动中使用较多。
交直交变频器先将电网输入的交流电变为直流电，然后再在变流电路中将直流转变为频率可调的交流输出功率。交直交变频器具有结构简单、输出频率变化范围大、功率因数高、谐波易于消除、可使用各种新型大功率器件等优点，因此应用面广且使用范围愈来愈大。
限于篇幅，本章主要介绍交直交变频器。
常用的高压变频器中所使用的变流大功率电力电子器件，有晶闸管(SCR:Thyristor)、可关断晶闸管(GTO:Gate Turnoff Thyristor)、大功率晶体管(GTR:Giant Transistor)、绝缘门双极晶体管(IGBT:Insulated Gate Bipolor Transistor)和集成门控变流晶闸管(IGCT:Insulated Gate Commutated Thyristor)等。因此，也常根据所使用的变流器件来称呼该变频器。
也可以根据高压变频器的变频调速原理来划分变频器。目前实用的高压变频器工作原理通常有如下几种:
第一种 使用SCR器件，在前端(输入端)可控整流回路中改变电压幅值、在后端(输出端)逆变回路中调节频率，通过保持V/F为常数的办法实现调频调速。通常称之为脉幅调制方式(PAM方式)。这是比较早期开发的高压变频器，但目前仍在大容量或超大容量变频器(如大功率同步电动机的调速和软起动)中得到应用。
第二种 是目前在中小容量变频器中普遍使用的脉宽调制方式(PWM方式)。由于此种方法技术先进、性能优异、线路结构简单、而且可使用IGBT、GTO等先进半导体开关器件。所以，随着新型器件的开发，其电压等级和电流通导能力的不断提高，PWM形式的变频器将逐渐占据高压变频器的主导地位。
此外，基于电压空间矢量菱形调制原理开发的三电平变频器，近来也得到迅速的发展。它实际上是PWM技术的进一步发展。
在交直交变频器中，按中间储能环节所用电容或电感的不同，又分为电压型和电流型变频器。
3.2 标准高压变频驱动系统
一个标准的高压大功率变频驱动系统的单线图如图3-1所示。现将其主要部件说明如下:
(1) 输入变压器
由于高压变频器逆变电路的开关特性，在它的输出端会产生共模电压。输入变压器可以起到隔离作用，使电机的定子电压与电网中性点无关，以防电机的绝缘由于受到共模电压的作用而影响使用寿命。这对于现有电机的改造项目尤为重要。输入变压器还可以在电网与变频器之间提供一个感抗，减小波形畸变。
抑制共模电压也可采用其他方法，比如采用新型的电路结构等。如果线路设计得好，或所选用电机的绝缘强度高，也可以不用输入变压器。
输入变压器还可以降低高压，以便使用较低电压的电机和变频，降低成本。这就是所谓的“高－低－低”方案。
(2) 输入滤波器和功率因数补偿器
如果变频器的功率占电网额定输出功率相当大的部分，变频器的电流波形畸变有可能使电网电压的波形畸变超出规定范围。这时就必须增加输入谐波滤波器或功率因数补偿器。
(3) 断路器或其他配电电器:由于不存在直接起动的过电流现象，对高压电器的过电流要求相对降低，这对提高设备的使用寿命有利。
(4) 变频器:变频器的合理选择和应用将在“高压变频器的选型设计”一讲中详细介绍。
3.3 带输出变压器的变频驱动线路
带输出变压器的变频驱动线路如图2所示。
在这种结构中，变频器采用了比电网低的电压。较高的电网电压(如6KV或10KV)经输入变压器降压后，由低电压的变频器变频，其输出再通过输出变压器升至电动机的额定电压，实现变频调速。此方式可用低电压的变频器对高电压的电动机进行调速，常称为“高－低－高”/“高－中－高”方式或“间接式”变频方式。
间接式变频方式比较适合于调速比要求不高、功率在1500KW以下的的风机和水泵中。虽然，由于增加输出变压器使系统总效率略有下降，但其价格相对较低，而且低压变频器的维修比较方便，从经济上考虑，仍不失为一种实用的选择。
带输出变压器的方式在多重式的大容量变频器中使用较多，因为比较容易实现电压的改变和多重化，以达到提高容量、改善波形的目的。
3.4 高压变频器的多重化结构
“多重化”的含义是将变频器的变流模块单元(整流器或逆变器)进行并联或串联，以达到用较低电压/电流等级的功率器件实现较高电压或更大容量变频的要求。这种方法在高压变频器中使用很普遍。
图3所示为一种使用输出变压器、实现多重化的电流型变频器原理图。图中，两个电流型逆变单元相并联，两逆变单元的相位彼此错开30°，因此又叫12脉波电流型变频器(或12相变频器)。两个逆变器相互交错叠加的结果，不仅使变频器容量增加一倍，而且合成的输出电流具有阶梯波的特性(图4)，更接近于正弦波。因为12脉波变频器的输出谐波分量最低是11、13次，只含12K±1的奇次谐波，因此比6脉波变频器小很多。
如果将N个逆变器并联，就是N重变频器，此时电流容量增加到N倍，高次谐波只有6KN±1(K=1，2...)的频率。
在减小电流谐波的同时，电动机的转矩脉动也大为降低。计算表明，将电动机与N重变频器连接时，脉动转矩幅度可降低到1/N以下。
3.5 高压变频器的切换
高压变频器为了节能、检修或将一台变频器用于控制多台电动机时，常使用切换线路。切换要求有三种:
(1) “冷”切换: 在变频器停机时进行切换；
(2) 单向切换:电动机只从变频器切换到电网，不从电网切换到变频器。此方式多用于一台变频器对多台电机的“软”起动系统中；
(3) 同步切换:在电动机不停止的情况下，变频器可与电网相互切换，又称“热”切换。
如图3-5所示，在图(A)中，正常情况下，在变频器的控制下使电机变速运行。如果电机需在额定功率下较长时间运行，可使变频器输出电压在带负荷情况下调整到与电网电压同步，在同步时断开接触器A，闭合接触器B，电动机即转由电网供电。反之，变频器在无负荷情况下调整到与电网电压同步，接触器A闭合，B断开，电动机回到由变频器调速。这里，“同步”的含义是指变频器输出电压和电网电压不仅幅值和频率相同，而且相位一致。这对于热切换是必须的，否则切换会造成对电动机和变频器的冲击。当电机由电网供电切换到由变频器供电时，会使变频器因过大的电流而损坏。尤其是当变频器的输出电压与电动机的反电势成180°相位差时，过电流甚至会达到起动电流的7-8倍以上。
图(B)为一个变频器控制两台电动机的情况。变频器可以分别或同时驱动两个电动机。在分别驱动的情况下，其中一个电动机在变频器控制下运行，直到额定负载。如果负载超过额定值，可将该电机从由变频器供电同步切换到电网供电，然后变频器再转换到控制第二台电动机。当第二台电动机也达到额定频率时，把它也切换到电网。以后，当负载减小时，各台电动机可依次再分别切换到变频控制。
如果将驱动设备接到同样的负载(例如并联泵)，变频器可以同时对两台电动机实行起动和运行。在额定功率下，两台电动机可以由电网供电或者切换至变频器控制。
当控制对象超过两台电动机时，可用一台变频器逐一对各台电机起动，然后切换到电网运行。在很多情况下，这是一种比较经济合理的选择。例如在水厂的供水系统或市政工程污水排放系统中，为满足最大可能的给排水流量，通常设计有多台水泵。但在实际使用时，因用户数量的变化，流量(即负载)的变化很大。因此，可以设计用一台变频器以切换方式控制两台或多台水泵，工作时根据流量的大小来控制切换连接到电网的水泵数目，而仅保持其中有一台水泵在变频器的控制下对流量随时进行调节。